JP3951499B2

JP3951499B2 - トロイダル形無段変速装置のパワーローラ軸受

Info

Publication number: JP3951499B2
Application number: JP09884299A
Authority: JP
Inventors: 尚今西; 伸夫後藤; 保夫村上; 朋伸吉川
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1999-04-06
Filing date: 1999-04-06
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2019-04-06
Also published as: JP2000291757A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、自動車及び一般産業ならびに輸送機器用のトランスミッションに用いられるトロイダル形無段変速装置のパワーローラ軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車及び一般産業ならびに輸送機器用のトランスミッションに用いられるトロイダル形無段変速装置は、互いに相対する入出力ディスクと、これらの入出力ディスクの間に設けられたパワーローラと、入出力ディスクを互いに近付ける方向に入出力ディスクのうち少くとも一方を押圧するローディングカム機構などを備えている。
【０００３】
入力ディスクは、エンジンなどの駆動源によって回転駆動される。出力ディスクは、入力ディスクの回転に基く動力をパワーローラなどを介して伝達される。
【０００４】
パワーローラは、入力ディスクと出力ディスクとの間に揺動自在に設けられている。パワーローラは、双方のディスクに転接するトラクション部を備えている。パワーローラは、スラスト軸受としてのパワーローラ軸受によってその回転が許容された状態で支持されている。
【０００５】
パワーローラ軸受は、内輪としての前述したパワーローラと、外輪と、外輪とパワーローラとの間に転動自在に設けられた転動体としての球状の玉と、を備えている。パワーローラは、トラニオンによって、前記入力ディスクと出力ディスクとの間に揺動自在に設けられている。パワーローラは、その傾き角度を変化させることでトロイダル形無段変速装置の変速比を変化させる。
【０００６】
このようなパワーローラ軸受の部材構成は、パワーローラを除けば、外見上では、スラスト荷重が作用する回転軸の支承に用いられるスラスト玉軸受とほとんど変わらない。
【０００７】
そこで、既存のスラスト玉軸受用に設計された部品を流用することで、トロイダル形無段変速装置のパワーローラ軸受を安価に生産することが研究されてきた。
【０００８】
しかし、パワーローラ軸受は、外観上では、スラスト玉軸受に部材構成が酷似するが、内輪としてのパワーローラの担う機能が一般のスラスト玉軸受とは全く異なっており、それに起因してパワーローラ自体に作用する荷重分布や、外輪とパワーローラとの間に介在する玉と、外輪及びパワーローラとの接触挙動が、一般のスラスト玉軸受とは大きく相違するため、その相違点を配慮した各種の改良が必要不可欠になる。
【０００９】
例えば、一般のスラスト玉軸受における内輪は、軸の支持部材であるが、パワーローラ軸受において、パワーローラは、入力ディスクから出力ディスクに回転を伝達する動力伝達部材で、ギヤ式の多段変速機における変速ギヤに相当する。そして、このようなパワーローラは、入力ディスクや出力ディスクから強い押圧力を受けた状態で高速回転されるため発熱が大きく、このパワーローラの発熱が玉などを加熱する。
【００１０】
そのため、外輪とパワーローラとの間に供給する潤滑油としては、動力伝達することを目的として開発された高粘度のトラクション油を用いることが必須となる。
【００１１】
また、パワーローラの入力ディスクと出力ディスクとに接触するトラクション部は、パワーローラの外周縁上で互いに１８０度離れた対向位置となり、入力ディスクや出力ディスクからの強い押圧力はこれらの対向位置（トラクション部）にラジアル荷重とスラスト荷重の合力として集中作用する。従って、入力ディスクや出力ディスクに接触するトラクション部には、非常に高い接触面圧が発生する。
【００１２】
例えば、一般の軸受は接触面圧が２〜３ＧＰａ（ギガパスカル）以下で使用されるのに対し、車両用のトロイダル形無段変速装置に使用されるパワーローラ軸受の場合は、通常の減速時では接触面圧が２．５〜３．５ＧＰａとなり、最大減速時においては接触面圧が４ＧＰａにも達する場合がある。
【００１３】
更に、入力ディスクや出力ディスクからの強い押圧力は、パワーローラのトラクション部上の１８０゜離間した対向位置にラジアル荷重として集中作用して、パワーローラに半径方向の圧縮変形を生じさせる。この圧縮変形によってパワーローラに反りを生じるため、パワーローラに作用するスラスト荷重を、パワーローラと外輪との間に介在する複数個の玉に均等に分担させることは、ほとんど不可能になる。即ち、玉に作用するスラスト荷重は、入力乃至出力ディスクとの接触位置（トラクション部）と９０度ずれた位置で大きくなり、その結果、玉の軌道溝に対する接触面圧にはばらつきが生じ、一部の玉は極めて高い接触圧で軌道溝を転動することになる。
【００１４】
従って、入力ディスクや出力ディスクに接触するトラクション部や、玉が接触するパワーローラ及び外輪それぞれの軌道溝は、高い接触面圧の局所的な作用に対する寿命低下を防止するために、材質や、表面の硬度、表面粗さの特別な調整が不可欠となる。
【００１５】
このような背景から、本願出願人は、接触面圧の局部的な作用に対する耐久性を向上させて軸受寿命を向上させることから、玉を中炭素鋼や高炭素鋼で形成すると共に、浸炭窒化処理や焼き入れ及び焼き戻し処理により玉の表面の硬度、強度を調整する技術を提案している（特開平７―２０８５６８号公報参照）。
【００１６】
また、本願出願人は、入力ディスク及び出力ディスクと、これらに接触するパワーローラとに、浸炭処理を施した後に研削仕上げ処理を施したり、あるいは、浸炭窒化処理を施した後に研削仕上げ処理を施して、これらの部材の表面の硬度や有効硬化層深さを、局部的な接触面圧の作用に耐える適正値（２ｍｍ以上で４ｍｍ以下）に調整する技術を提案している（特開平７―７１５５５号公報参照）。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前述したパワーローラと外輪との間に供給する潤滑油として専用のトラクション油の採用や、材質の選択や表面処理によるパワーローラと玉の硬度や有効硬化層深さや表面粗さの適正化などを実施しても、それだけでは、十分ではない。
【００１８】
パワーローラ軸受は、動力伝達が本来の目的であるから、軸受内での動トルク損失をできる限り低減して、トルクの伝達効率の向上を図ることが重要になるが、前述した改良だけでは、例えば、パワーローラ及び外輪それぞれの軌道溝や玉の寸法設定によっては、軸受内での動トルク損失の増大が発生して、トルク伝達効率の低下という問題が発生する場合があった。
【００１９】
また、前述したパワーローラなどの表面の硬度や有効硬化層深さの調整を行っていても、時には、軌道溝の縁や玉の早期破損や、軌道溝と玉との接触面の傷つき等によって、軸受寿命の低下という問題が発生する場合があった。
【００２０】
したがって、本発明の目的は、軸受寿命の低下を抑制できるトロイダル形無段変速装置のパワーローラ軸受を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の一つの形態に係るトロイダル形無段変速装置のパワーローラ軸受は、駆動源により回転駆動される入力ディスクと、前記入力ディスクに対向して設けられた出力ディスクと、の間に揺動自在に設けられている。
前記パワーローラ軸受は、
前記入力ディスクと前記出力ディスクとの間に位置する外輪と、
前記入力ディスク及び前記出力ディスクに転接するとともに、前記入力ディスクから前記出力ディスクにトルクを伝えるパワーローラと、
前記外輪と前記パワーローラとの間に転動自在に設けられた玉と、を備えており、
前記外輪及び前記パワーローラは、夫々円環状でかつ断面円弧状に形成されて前記玉が転動する軌道溝を有し、
前記外輪の軌道溝と前記パワーローラの軌道溝のうちの少なくとも一方を形成するワークの表面に熱処理、切削加工および超仕上げ加工を施した状態で、前記少なくとも一方の軌道溝の表面にショットピーニング加工を施すことにより、前記少なくとも一方の軌道溝の表面に残留圧縮応力層を形成するとともに、この残留圧縮応力層の表面に前記外輪と前記パワーローラとの間に供給される潤滑油を保持する凹部を形成したことを特徴としている。
【００２３】
このような構成によれば、残留圧縮応力層の存在により、玉が軌道溝を転動する際に生じる接触面圧が緩和される。それとともに、残留圧縮応力層の表面の凹部に潤滑油が保持されるので、パワーローラ軸受の潤滑不良を防止できる。したがって、パワーローラ軸受の疲れ寿命の低下を抑制することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１ないし図６を参照して説明する。
【００２５】
図１はトロイダル形無段変速装置としてのシングルキャビティ式ハーフトロイダル形無段変速装置２０を用いた自動車用トランスミッション２１の一部を示す断面図であり、図２はこのトロイダル形無段変速装置２０のスラスト軸受としてのパワーローラ軸受１１を示す断面図である。
【００２６】
図１に示すように、自動車用トランスミッション２１に用いられるシングルキャビティ式ハーフトロイダル形無段変速装置２０は、エンジン等を含む駆動源Ｅによって回転駆動される入力軸１と、入力ディスク２と、出力ディスク３と、パワーローラ１０と、押圧手段としてのローディングカム機構６とを備えている。
【００２７】
入力ディスク２は、入力軸１に支持されかつこの入力軸１と連動して回転する。出力ディスク３は、入力軸１に入力ディスク２と対向して支持されて設けられている。出力ディスク３は、入力軸１の回転に基く動力を取出す出力軸と連動して回転する。
【００２８】
パワーローラ１０は入力ディスク２と出力ディスク３との間に揺動自在に設けられかつ双方のディスク２，３に転接する。ローディングカム機構６は、入力ディスク２の背面側に設けられている。
【００２９】
ローディングカム機構６は、カムディスク４とカムローラ５とを備えている。カムディスク４は、入力軸１にスプライン係合し、入力軸１と連動して回転する。カムディスク４の入力ディスク２に相対する面には、周方向に沿って凹凸に形成されたカム面２２が形成されている。カムディスク４は駆動源Ｅと連動して回転する。
【００３０】
カムローラ５は、カムディスク４と入力ディスク２との間に設けられている。カムローラ５は、入力軸１の軸線Ｐに関し放射方向に沿った軸線Ｑ回りに回転自在に設けられている。カムローラ５は、入力軸１の軸線Ｐ回りに複数配されている。
【００３１】
前述した構成によって、ローディングカム機構６は、エンジンを含む駆動源Ｅによってカムディスク４が連動して回転すると、カム面２２がカムローラ５を入力ディスク２に向かって押圧する。そして、入力ディスク２と出力ディスク３とが互いに近づく方向にカムローラ５を介して入力ディスク２が押圧される。また、押圧手段としてローディングカム機構６の代わりに油圧ピストン等の押付力発生機構を用いても良い。
【００３２】
入力ディスク２と出力ディスク３との間に、トラニオン８が設けられている。トラニオン８は枢軸７を中心として図１中の矢印Ｒで示す方向に揺動することができる。トラニオン８の中心部に変位軸９が設けられている。この変位軸９に、パワーローラ１０が回転自在に支持されている。
【００３３】
このパワーローラ１０は、入力ディスク２及び出力ディスク３とに転接するトラクション部１０ａを有している。パワーローラ１０は、入力ディスク２と出力ディスク３との間において、その傾き角度をトロイダル形無段変速装置２０の変速比に応じて変化させる。なお、パワーローラ１０は、後述するスラスト軸受としてのパワーローラ軸受１１の内輪をなしている。
【００３４】
トラニオン８とパワーローラ１０との間に、スラスト軸受としてのパワーローラ軸受１１が設けられている。パワーローラ軸受１１は、図２に示すように、内輪としての前述したパワーローラ１０と、外輪１３、複数の転動体としての玉１２と、保持器１４と、を備えている。
【００３５】
外輪１３は、円環状に形成されており、トラニオン８に支持される。玉１２は、それぞれ球状に形成されている。玉１２は、それぞれパワーローラ１０と外輪１３との間に転動自在に設けられている。保持器１４は、円環状に形成されており、外輪１３と、パワーローラ１０との間に設けられている。保持器１４は、複数個の玉１２を転動自在に保持している。
【００３６】
前述した構成によって、パワーローラ軸受１１は入力ディスク２と出力ディスク３との間に揺動自在に設けられている。ローディングカム機構６が入出力ディスク２，３を互いに近付ける方向に入力ディスク２を押圧することによって、駆動源Ｅによって回転される入力ディスク２の回転駆動力を、パワーローラ１０を介して出力ディスク３に伝達して、動力として取り出す。
【００３７】
パワーローラ１０には、ローディングカム機構６が入力ディスク２を押圧して入出力ディスク２，３双方と転接する際に、スラスト方向の荷重が加わる。パワーローラ軸受１１は、入力ディスク２及び出力ディスク３からパワーローラ１０に加わるスラスト方向の荷重を支承し、かつパワーローラ１０の回転を許容する。
【００３８】
また、外輪１３とパワーローラ１０は、図２ないし図４に示すように、それぞれ互いに相対する端面１７，１８に、軌道溝１５，１６を形成している。軌道溝１５，１６は、それぞれ、端面１７，１８に円環状に形成されている。軌道溝１５，１６は、それぞれ断面円弧状に形成されている。
【００３９】
軌道溝１５，１６の表面には、図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示すように、それぞれ残留圧縮応力層２３，２４が形成されている。残留圧縮応力層２３，２４は、それぞれ、軌道溝１５，１６の表面にショットピーニング加工などが施されることによって形成される。これらの残留圧縮応力層２３，２４は、それぞれ、−２０ｋｇｆ／ｍｍ²から−１００ｋｇｆ／ｍｍ²までの範囲の残留圧縮応力を有している。
【００４０】
前述した構成の外輪１３及びパワーローラ１０は、以下に示す工程にしたがって得られる。まず、図５中のステップＳ１に示すように、素材としてのワークに鍛造加工を施して、完成品に近い形状に成形して、ステップＳ２に進む。ステップＳ２では、ワークに切削加工を施してステップＳ３に進む。ステップＳ３では、ワークに浸炭・浸炭窒化処理などの熱処理を施してステップＳ４に進む。
【００４１】
ステップＳ４では、ワークに研削加工を施し、略製品形状と同等の形状に成形してステップＳ５に進む。ステップＳ５では、軌道溝１５，１６の表面などに超仕上げ加工などを施してステップＳ６に進む。ステップＳ６では、軌道溝１５，１６の表面などにショットピーニング加工などを施して、所望の形状の外輪１３及びパワーローラ１０を得る。
【００４２】
前述した構成によれば、軌道溝１５，１６の残留圧縮応力層２３，２４の表面には、図６に示すように、ショットピーニング加工によって凹部２５と凸部２６とが形成されている。これらの凹部２５と凸部２６とに間に、潤滑油などが保持されることとなり、前記パワーローラ軸受１１の潤滑不良を防止する。したがって、パワーローラ軸受１１の寿命の低下を抑制できる。
【００４３】
また、本実施形態によれば、軌道溝１５，１６に研磨加工を施した後に、ショットピーニング加工を施す。このため、外輪１３及びパワーローラ１０の軌道溝１５，１６の表面から残留圧縮応力層２３，２４が取り除かれることなく形成される。この残留圧縮応力層２３，２４によって、玉１２が軌道溝１５，１６を転動する際に生じる接触面圧が緩和される。したがって。パワーローラ軸受１１の疲れ寿命の低下を抑制することができる。
【００４４】
また、本発明においては、外輪１３及びパワーローラ１０を成形する際に、図７に示した工程にしたがっても良い。図７に示した工程では、ステップＳ４で研削加工を施した後、ステップＳＴ５において、軌道溝１５，１６の表面にショットピーニング加工などを施す。そして、ステップＳＴ６において、軌道溝１５，１６の表面に超仕上げ加工を施す。なお、図７において、図５と同一の工程には同一符号を付して説明を省略する。
【００４５】
図７に示した工程にしたがって外輪１３及びパワーローラ１０を成形すると、軌道溝１５，１６の残留圧縮応力層２３，２４の表面には、図８に示すように、図６に示した場合の凸部２６が超仕上げ加工によって取り除かれて凹部２５のみが形成される。これらの凹部２５内に潤滑油などが保持されて、前記パワーローラ軸受１１の潤滑不良を防止する。したがって、この場合においても、パワーローラ軸受１１の寿命の低下を抑制できる。
【００４６】
次に、発明者らは、本発明のパワーローラ軸受１１の作用を確かめるために、前述した外輪１３及びパワーローラ１０を備えたトロイダル形無段変速装置２０の耐久試験を行った。試験結果を次の表１に示す。
【００４７】
【表１】

【００４８】
なお、試験においては、入力軸１の回転数を４０００ｒｐｍとし、駆動源Ｅからの入力トルクを３９０Ｎｍとし、潤滑油として合成トラクションオイルを用い、この潤滑油の温度を１００℃として行った。
【００４９】
また、表１中の本発明品Ａ及び本発明品Ｂは、図７に示した工程にしたがって得ているとともに、本発明品Ｃは、図５に示した工程にしたがって得ている。また、比較例Ａ、比較例Ｂ及び比較例Ｃは、軌道溝の表面にショットピーニング加工を施していない。
【００５０】
表１に示した試験結果によると、ショットピーニング加工を施した本発明品Ａないし本発明品Ｃは、いずれも１００時間の試験時間内では、破損することはなかった。比較例ＡないしＣは、いずれも試験時間６０時間前後で、軌道溝の表面にはくりが生じた。
【００５１】
このように、軌道溝１５，１６の表面にショットピーニング加工を施して、残留圧縮応力層２３，２４を形成することによって、高寿命なトロイダル形無段変速装置２０のパワーローラ軸受１１を得ることができるのが明らかとなった。
【００５２】
また、前記残留圧縮応力層２３，２４が−１００ｋｇｆ／ｍｍ²などの比較的高い残留圧縮応力を有するように形成するために、軌道溝１５，１６の表面を比較的強く打ちつけると、これらの軌道溝１５，１６の表面に微細なクラックが生じることがある。この場合、図７に示した工程にしたがってショットピーニング加工を施した後に超仕上げ加工を施すことによって、前述した微細なクラックを取り除くことができる。
【００５３】
また、本実施形態では、外輪１３の軌道溝１５の表面と、パワーローラ１０の軌道溝１６の表面との両方に残留圧縮応力層２３，２４を形成したが、これらの軌道溝１５，１６のうち何れか一方に残留圧縮応力層２３，２４を形成しても良い。この場合においても、パワーローラ軸受１１の寿命の低下を確実に抑制することができる。このように、前記残留圧縮応力層２３，２４を、外輪１３の軌道溝１５の表面と、パワーローラ１０の軌道溝１６の表面とのうち少なくとも一方に形成することによって、トロイダル形無段変速装置２０のパワーローラ軸受１１の寿命の低下を抑制できる。
【００５４】
さらに、前述した軌道溝１５，１６以外にも、ショットピーニング加工を施しても勿論良く、このショットピーニング加工の他にバレル加工などを施して、前述した残留圧縮応力層２３，２４を形成しても良い。
【００５５】
以上のショットピーニングによる転がり疲れ寿命の向上はトロイダル形無段変速装置２０のトラクション面にも適用できる。すなわち、高温・高速・高面圧・スピンの存在・トラクション油の使用等の条件はパワーローラ軸受１１と類似しており、この技術がトラクション面にも有効である。表１に示す実験結果は、この技術がトラクション面にも有効であることを示している。図１に示すようなハーフトロイダル形無段変速装置２０はもちろんフルトロイダル形無段変速装置にも適用できる。すなわち、ディスク２，３及びパワーローラ１０それぞれのトラクション面のうち少なくとも一つにショットピーニングを施すことで長寿命化を図る。
【００５６】
【発明の効果】
本発明のトロイダル形無段変速装置のパワーローラ軸受によれば、軌道溝の表面から残留圧縮応力層が取り除かれることがないので、この残留圧縮応力層の存在により、玉が軌道溝を転動する際に生じる接触面圧が緩和される。それとともに、残留圧縮応力層の表面の凹部に保持された潤滑油によりパワーローラ軸受の潤滑不良を防止できる。したがって、パワーローラ軸受の疲れ寿命の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のシングルキャビティ式ハーフトロイダル形無段変速装置の一部を示す縦断面図。
【図２】同実施形態のパワーローラ軸受を示す断面図。
【図３】同実施形態のパワーローラ軸受の外輪を示す図。
【図４】同実施形態のパワーローラ軸受のパワーローラを示す図。
【図５】同実施形態のパワーローラ軸受の外輪及びパワーローラの製造方法の一部を示す工程説明図。
【図６】図５に示した製造方法によって得られた外輪及びパワーローラの軌道溝の表面を拡大して示す断面図。
【図７】本発明のパワーローラ軸受の外輪及びパワーローラの製造方法の変形例の一部を示す工程説明図。
【図８】図７に示した製造方法によって得られた外輪及びパワーローラの軌道溝の表面を拡大して示す断面図。
【符号の説明】
２…入力ディスク、３…出力ディスク、１０…パワーローラ、１１…パワーローラ軸受、１２…玉、１３…外輪、１５，１６…軌道溝、２０…トロイダル形無段変速装置（シングルキャビティ式トロイダル形無段変速装置）、２３，２４…残留圧縮応力層、２５…凹部。

Claims

駆動源により回転駆動される入力ディスクと、前記入力ディスクに対向して設けられた出力ディスクと、の間に揺動自在に設けられたトロイダル形無段変速装置のパワーローラ軸受において、
前記入力ディスクと前記出力ディスクとの間に位置する外輪と、
前記入力ディスク及び前記出力ディスクに転接するとともに、前記入力ディスクから前記出力ディスクにトルクを伝えるパワーローラと、
前記外輪と前記パワーローラとの間に転動自在に設けられた玉と、を備え、
前記外輪及び前記パワーローラは、夫々円環状でかつ断面円弧状に形成されて前記玉が転動する軌道溝を有し、
前記外輪の軌道溝と前記パワーローラの軌道溝のうちの少なくとも一方を形成するワークの表面に熱処理、切削加工および超仕上げ加工を施した状態で、前記少なくとも一方の軌道溝の表面にショットピーニング加工を施すことにより、前記少なくとも一方の軌道溝の表面に残留圧縮応力層を形成するとともに、この残留圧縮応力層の表面に前記外輪と前記パワーローラとの間に供給される潤滑油を保持する凹部を形成したことを特徴とするトロイダル形無段変速装置のパワーローラ軸受。